Принцип работы компрессоров прямого действия заключается в том, что они забирают газ и увеличивают его давление, нагнетая в малый объем. При этом на газ действует сила со стороны подвижных элементов компрессора, которые нагнетают газ в компрессионную камеру.

Существуют разные типы компрессоров прямого действия такие как, поршневой компрессор, винтовой компрессор, спиральный компрессор и другие. Их применяют в медицине, в системах вентиляции, отопления и кондиционирования (ОВК), а также в промышленных системах, работающих на сжатом воздухе, и в других сферах.

При проектировании компрессоров может применяться численное моделирование гидрогазодинамики (CFD-моделирование), позволяющее спрогнозировать и выбрать оптимальное соотношение производительности, эффективности и надежности при допустимых характеристиках шума и вибрации.

Применение моделирования для повышения производительности компрессора

Повышение эффективности забора воздуха на начальной стадии цикла компрессии – один из способов увеличения производительности. Поскольку сжатие газа осуществляется в малом объеме, то в некоторый момент времени его давление достигает критического значения, при котором газ начинает выходить в больший объем. Определение соответствующей величины расхода воздуха представляется сложной задачей, которая не поддается решению эмпирическими методами.

Часто на ранних стадиях проектирования компрессора используют 1D и 2D моделирование для определения его размера и получения предварительных значений аэродинамических и термодинамических характеристик на основе фундаментальных принципов и эмпирических данных. Полноразмерное 3D-моделирование с использованием CFD-технологий, как правило, применяется для решения задач оптимизации конструкции.

В настоящее время технологии численного моделирования компании ANSYS, Inc. серьезно развиваются в направлении моделирования подвижных объектов, благодаря чему становится возможным точнее прогнозировать поведение подобных устройств на эксплуатационных режимах.

Применение Ansys Forte для прогнозирования свойств компрессора на этапе проектирования

Поскольку детали компрессора движутся относительно друг друга с микронными зазорами, то создание расчетных сеток для таких зазоров может оказаться длительным и трудозатратным. В линейке Ansys есть несколько партнерских решений для создания таких сеток: это PDM Analysis и TwinMesh. Однако, если вы хотите использовать более быстрое и простое решение на начальных этапах проектирования, можно рассмотреть применение ПО Ansys Forte.

Использование Ansys Forte позволяет существенно сократить время на выполнение CFD-моделирования за счет исключения стадии препроцессинга. Ansys Forte содержит инструменты для моделирования течения в зазорах, с применением которых сетка не нуждается в сильном локальном измельчении.

Алгоритм оптимального проектирования компрессора

Ansys Forte предлагает хорошо отлаженный алгоритм CFD-моделирования, с помощью которого можно быстрее достичь оптимального с точки зрения проектирования результата. Этот алгоритм в несколько раз быстрее традиционных подходов, используемых производителями компрессоров.

В начале работы создается геометрия в Ansys SpaceClaim, которая экспортируется как поверхностная сетка. Затем поверхностная сетка загружается в Ansys Forte, где дерево рабочего процесса содержит упрощенный порядок настройки. В Ansys Forte используется автоматическое построение сетки для ускорения моделирования.

Сетка создается «на лету» и адаптивно уточняется в зависимости от результатов решения и перестроения геометрии. Встроенные функции помогают моделировать зазоры, которые обычно содержатся в конструкции компрессоров. Адекватное моделирование утечек потока через эти зазоры позволяет точнее прогнозировать производительность компрессора. Встроенные модели зазоров Ansys Forte позволяют получить достаточно точные результаты, отличающиеся от результатов экспериментов не более чем на 5%.

В начале работы создается геометрия в Ansys SpaceClaim, которая экспортируется как поверхностная сетка. Затем поверхностная сетка загружается в Ansys Forte, где дерево рабочего процесса содержит упрощенный порядок настройки. В Ansys Forte используется автоматическое построение сетки для ускорения моделирования.

Сетка создается «на лету» и адаптивно уточняется в зависимости от результатов решения и перестроения геометрии. Встроенные функции помогают моделировать зазоры, которые обычно содержатся в конструкции компрессоров. Адекватное моделирование утечек потока через эти зазоры позволяет точнее прогнозировать производительность компрессора. Встроенные модели зазоров Ansys Forte позволяют получить достаточно точные результаты, отличающиеся от результатов экспериментов не более чем на 5%.

По итогам применения Ansys Forte для разработки конструкции на ранней стадии проектирования, можно перейти к проверочному моделированию в Ansys CFX или Ansys Fluent. В них можно более детально рассмотреть течения в зазорах, выполнить многофазное моделирование масляного компрессора, использовать более реалистичную модель газа и ряд других возможностей для высокоточного моделирования перед разработкой прототипа и его испытанием.

Хотите узнать больше о численном моделировании компрессоров, насосов, винтов и турбин? Закажите услугу «Онлайн мастер-класс по моделированию типовых задач клиента в Ansys» (https://elearning.digitaltwin.ru/online-typical/) или пройдите обучение по курсам «МОДЕЛИРОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТУРБОМАШИНОСТРОЕНИИ», «МОДЕЛИРОВАНИЕ АЭРОДИНАМИКИ ВРАЩАЮЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ» в разделе ОНЛАЙН КУРСЫ (https://elearning.digitaltwin.ru/service-on-demand/online-module).